Почему зеленеет река Урал



В статье авторы рассматривают проблему массового разрастания зеленой водоросли Ulva intestinalis в реке Урал, выясняют причины, вызывающие подобное явление, определяют степень опасности исследуемой водоросли.

Ключевые слова: водоросли, Ulva intestinalis, река Урал.

Река Урал — самая крупная и главная водная артерия Оренбургской области, по своей общей длине (2428 км.) — это третья река Европы (после Волги и Дуная). Река Урал берет свое начало в республике Башкортостан и, протекая через Челябинскую, Оренбургскую области и Казахстан, впадает в Каспийское море. На Оренбургскую область приходится основная часть стока р. Урала — 1164 км русла. Река пересекает область с востока на запад, протекая по десяти районам [10].

Так как река связывает Оренбуржье с Казахстаном, с 1991 г. Урал приобрел статус межгосударственной трансграничной реки.

Река является носителем уникального биологического и ландшафтного разнообразия, а также служит основным источником воды для 4,2 миллиона человек, живущих на ее берегах [11]. Однако в настоящее время экологическая обстановка в бассейне реки оценивается как напряженная. В 2019 году реке присвоили пятый, самый последний, уровень загрязнения [7].

На сегодняшний день к числу основных проблем р. Урал относят заиление русла, зарегулирование стока верхнего течения Урала (сооружение плотин и водохранилищ), разрушение береговой линии, вырубку пойменных лесов, сокращение биоразнообразия флоры и фауны реки, деятельность промышленных и сельско-хозяйственных предприятий (промышленное водоотведение — опаснейший источник загрязнения природы) [6]. Но особо острой проблемой считается обмеление реки. С каждым годом проблема обмеления становится все более актуальной, ежегодно уровень воды в реке снижается на 20 см, 2019 год был признан учеными одним из самых маловодных для р. Урал. Согласно прогнозам ученых, маловодный цикл будет продолжаться на Урале до 2023 года [9].

Несмотря на существующие проблемы, река Урал остается любимым местом отдыха и купания жителей г. Оренбурга (рис. 1, А). Однако ежегодные массовые разрастания водоросли Ulva intestinalis L. на поверхности воды, видимые невооруженным глазом, вызывают опасение и встревоженность горожан (рис. 1, Б-Г).

Рис. 1. Река Урал: А — р. Урал, пляж отдыха «Экстрим» 28.06.2021; Б, Г — р. Урал, городская набережная, разрастания водорослей на поверхности воды, 16.06.2021; В — р. Урал, городская набережная, разрастание водорослей на поверхности воды, сентябрь 2019.

Целью нашего исследования явилась оценка экологического состояния реки Урал, а также влияния факторов окружающей среды на степень развития водоросли U. intestinalis .

Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи :

– изучить литературу, посвященную теме «Водоросли» и реке Урал;

– провести отбор проб воды реки Урал с живой массой ульвы;

– исследовать отобранные образцы под микроскопом;

– в условиях эксперимента оценить влияние факторов окружающей среды, таких как температура и освещенность, на развитие водоросли;

– в условиях эксперимента с животными определить степень опасности водоросли, вызвавшей «цветение» реки Урал.

Общая характеристика водорослей и их роль в природе и жизни человека.

Водоросли — это древнейшие организмы, населяющие нашу планету. Именно они первыми начали вырабатывать кислород еще задолго до появления наземных растений. Благодаря деятельности водорослей в атмосфере появился озоновый экран, защищающий Землю от радиационного излучения и способствовавший развитию жизни не только в воде, но и на суше. От водорослей произошли наземные растения [4].

Водоросли широко распространены по всему Земному шару, их можно встретить на почве, на влажных камнях и скалах, стволах деревьев, на снегу и даже в шерсти ленивцев, но чаще всего водоросли обитают в воде [3, 4].

Тело водорослей не имеет листьев, стебля и корней, а представлено одной или множеством клеток. Среди них встречаются как макроскопические формы, достигающие в длину нескольких метров, так и совсем крошечные, невидимые невооруженным глазом [3, 4].

Несмотря на свое простое строение и незначительные размеры, водоросли играют важную роль в природе. Они обогащают воду кислородом, являются источником питания для обитателей водоема (моллюсков, ракообразных, рыб), заросли крупных водорослей служат для укрытия и размножения многих рыб и прибрежных животных [3].

Также водоросли находят широкое применение и в жизни человека. Их используют в пищу, при производстве кормов для сельскохозяйственных животных и аквариумных рыб, в производстве удобрений, в медицине (как витаминные комплексы и биологически активные добавки), в косметологии (при производстве кремов, масок, гелей для душа и др.), в науке. Большая часть видов водорослей являются показателями качества воды и используются при санитарно-биологической оценке водоема. Например, учеными установлено, что некоторые виды водорослей могут существовать только в очень чистой воде, другие — и в чистой, и в достаточно загрязненной, а третьи способны выдержать даже весьма значительную степень загрязнения. Подобная способность организма обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ, то есть с той или иной степенью загрязнения называется сапробностью, а сами организмы — индикаторами сапробности. Таким образом, изучив многообразие водорослей водоема и проанализировав состав водорослей-индикаторов сапробности, даже не делая химического анализа воды можно сказать: чистый это водоем или загрязненный [2, 3].

Однако водоросли могут оказывать и отрицательное воздействие, как на природу, так и на здоровье человека, и это, прежде всего, связано с таким явлением, как «цветение» воды, когда происходит массовое размножение водорослей в водоеме. При этом в воде резко сокращается количество кислорода, весь кислород, образующийся при фотосинтезе, потребляется самими же водорослями. Дефицит кислорода при массовом развитии водорослей («цветении») может вызывать гибель рыб. «Цветение» водоема представляет угрозу для здоровья и жизни человека, например, в результате купания в такой воде отмечены частые случаи аллергических реакций на коже людей.

Общая характеристикаUlva intestinalis .

Cлоевище Ulva intestinalis обычно трубчатое, вздутое, иногда сдавленное, светло или темно зеленого цвета, обычно довольно мягкое. Таллом неветвящийся или с несколькими ветвями, отходящими от основания слоевища. Высота слоевища от нескольких сантиметров до 30–40 см, ширина — от 0,5 до 4,0–5,0 см. Клетки, формирующие слоевище, 6–10 x 7–16 мкм, в основном, с 3–7 углами, либо округлые (рис. 2). Слоевище прикрепляется к твердому субстрату маленькой дисковидной подошвой или свободно плавает. Водоросль растет в пресных и соленых водоемах от Арктики до тропических и умеренных вод Южного полушария [1].

Водоросль неприхотлива и часто формирует массовые разрастания.

Рис. 2. Водоросль Ulva intestinalis L.: общий вид (А) и микроскопическая структура (Б)

Разрастания ульвы ежегодно регистрируют в заливе Циндао в Желтом море (Китай), а само это явление получило название «зеленые приливы» [5].

Согласно данным ученых, виды рода ульвы, безопасны для человека [5]. В ряде стран, таких как Япония, Корея, Индия, Индонезия, Тайланд Ulva выращивают в промышленных масштабах и используют в пищу, как источник полезных веществ, минералов и витаминов. В ульве содержатся клетчатка, полисахариды, аскорбиновая кислота, витамины группы В, железо, йод, марганец и т. д. Также водоросль ульва, благодаря своим антибактериальным и антигрибковым свойствам, нашла свое применение в фармацевтической промышленности. Она широко используется и в косметологии. Косметические средства на основе ульвы стимулируют выработку коллагена, за счет чего разглаживаются морщины, кожа приобретает упругость; благодаря витаминам улучшают питание кожи, восстанавливают проходимость сосудов, возвращая румянец, убирая отеки и воспаление; смягчают и увлажняют верхний слой кожи; укрепляют кожу, делая ее более стойкой к повреждающим факторам.

В целом, как отмечают ученые, купание в водоеме, где произошло массовое развитие ульвы , не причинит вреда здоровью человека, но это неблагоприятно сказывается на состоянии самого водоема. Разрастания ульвы на поверхности воды препятствуют проникновению солнечного света, происходит изменение рН среды, резкое сокращение концентрации в воде азота и фосфора, которые также необходимы для роста и развития другой водной растительности, уменьшение количества растворенного в воде кислорода. Особенно опасен период, когда начинается разложение и гниение водорослевой массы [3]. Жители Китая, неоднократно сталкивавшиеся с проблемой «зеленых приливов», проводят ежегодную уборку акватории залива от разрастаний водорослей. В процессе «уборки» участвуют как неравнодушные жители, так и военные, и специализированная техника [5]. Следует отметить, что и неравнодушные жители города Оренбурга также проводят «уборку» реки от разросшихся водорослей.

Результаты наших исследований.

Для того, чтобы оценить влияние факторов окружающей среды на степень развития водоросли ульва был произведен отбор проб воды с живой массой ульвы в районе городской набережной р. Урал. Далее пробы доставляли в лабораторию световой и электронной микроскопии Центра выявления и поддержки одаренных детей «Гагарин», где водоросли изучали в живом состоянии под световым микроскопом марки «Primo Star» (Carl Zeiss) при увеличении 100×, 400×.

Для оценки роли факторов окружающей среды на развитие ульвы была проведена серия экспериментов. В качестве исследуемых факторов были выбраны освещенность и температура. Перед началом эксперимента нить водоросли разрезали на фрагменты длиной около 1,5–2,0 см, для каждого фрагмента с помощью аналитических весов была определена его масса. Затем в чашки Петри, содержащие минеральную среду Прата, наиболее близкую по составу к природной воде, помещали по 3 кусочка нити водоросли и моделировали 3 варианта опыта (рис. 4):

I. естественное освещение и низкая температура (эксперимент проводили на балконе, температура в период исследования варьировала от +2 ⁰С до +16 ⁰С в дневное время и от -4 ⁰С до +9 ⁰С — в ночное);

II. естественное освещение и комнатная температура (около +28 ⁰С);

III. отсутствие света и комнатная температура (около +28 ⁰С).

Длительность эксперимента составила 14 дней. По окончанию опыта состояние водоросли оценивали по внешним признакам (окраска и форма нити) и изменению веса нитей.

Рис. 4. Схема постановки эксперимента

В результате проведенных исследований было отмечено, что только в условиях достаточного освещения и комнатной температуры (около +28 ⁰С) нити водоросли на протяжении всего эксперимента оставались интенсивно зелеными, а их вес по истечению 14 дней опыта увеличился, что доказывает рост водоросли. Полученные нами результаты представлены в таблице 1 и на рисунке 5.

Таблица 1

Изменение веса образцов ульвы в эксперименте

	Варианты опыта:
	I		II		III
	Начало, вес, г	Конец, вес, г	Начало, вес, г	Конец, вес, г	Начало, вес, г	Конец, вес, г
1	0,2837	0,2221	0,2717	0,2931	0,1701	0,1095
2	0,3195	0,2075	0,1924	0,2543	0,1680	0,1019
3	0,3887	0,3047	0,2567	0,3017	0,1700	0,0994
среднее	0,3306	0,2447	0,2403	0,2830	0,1694	0,1036
результат	0,3306>0,2447		0,2403<0,2830!!!		0,1694>0,1036

Примечание: варианты опыта: I — естественное освещение и низкая температура; II — естественное освещение и комнатная температура; III — отсутствие света и комнатная температура.

Условия опыта, когда освещение было достаточным, но температура была низкой (от +2 ⁰С до +16 ⁰С — днем и от -4 ⁰С до +9 ⁰С — ночью), оказались неблагоприятными для роста водоросли . К концу исследования нити сильно ослизнились, появились раздутые участки, в некоторых местах были видны неокрашенные или буро-коричневые пятна, вес снизился, то есть прирост водоросли отсутствовал (табл. 1, рис. 5).

Также неблагоприятными оказались условия, когда водоросль выращивали при комнатной температуре, но в полной темноте. К концу опыта окраска всех трех нитей изменилась с интенсивно зеленой на буро-коричневую, вес снизился (табл. 1, рис. 5).

Таким образом, в ходе эксперимента было доказано, что развитие водоросли U. intestinalis напрямую зависит от температуры и степени освещенности. Исходя из этого можно сделать вывод, что образование массовых скоплений ульвы в реке Урал в районе городской набережной связано с тем, что в результате сильного обмеления реки происходит повышенная прогреваемость водных масс, солнечный свет проникает до самого дна, то есть в водоеме создаются оптимальные условия, способствующие интенсивному росту водоросли.

Рис. 5. Результаты эксперимента

Изучив литературу, мы выяснили что ульва безопасна и используется, в том числе, и в пищу. Мы решили убедиться в этом экспериментально. Чтобы выяснить, опасна ли ульва, массово развивающаяся в реке Урал, был поставлен эксперимент с домашними джунгарскими хомячками Снежком и Пылинкой. Ход эксперимента проиллюстрирован на рисунке 6. В течение 5 дней Пылинке давали «кашицу» из водоросли (водоросль измельчали до кашеобразного состояния и из шприца давали хомячку 1 раз в день). Снежок не получал водорослевой подкормки. Состояние животных — опытного и контрольного отслеживали ежедневно. На протяжении всего эксперимента оба хомячка оставались активными, подвижными и игривыми, т. е. ежедневный прием водоросли не причинил вреда здоровью Пылинки, что позволило нам сделать вывод о том, что водоросль не опасна (рис. 6).

Рис. 6. Эксперимент по кормлению домашнего хомячка водорослью ульва, собранной в реке Урал

На следующем этапе нашей работы мы предприняли попытку оценить качество воды реки Урал. Водоросль Ulva intestinalis является показателем качества воды, а именно бетамезосапробионтом, и ее чрезмерные разрастания свидетельствуют об определенной степени органического загрязнения реки.

Таким образом, основываясь на литературных данных [2], полученные нами результаты позволяют охарактеризовать воды реки Урал в районе городской набережной как слабо загрязненные, III класса.

Заключение

Подводя итог проведенным нами исследованиям, необходимо отметить, что развитие водоросли Ulva intestinalis напрямую зависит от температуры и степени освещенности. Достаточная степень освещенности в сочетании с высокой температурой (+ 28 ⁰С) способствуют росту водоросли. Массовое развитие ульвы в р. Урал в районе городской набережной очевидно обусловлено формированием благоприятных для роста водоросли условий (значительное прогревание водных масс и проникновение солнечного света до самого дна) в следствии сильного обмеления реки.

Водоросль не опасна.

Воды р. Урал охарактеризованы как слабо загрязненные, III класса качества

Поскольку р. Урал имеет трансграничное значение, то ее проблемы волнуют как Российскую Федерацию, так и Республику Казахстан. В марте 2021 г. между РФ и Республикой Казахстан была подписана программа по восстановлению экосистемы реки Урал [8]. В рамках данной программы планируется проведение различных работ, итогом которых станет очистка реки и повышение ее водности. Исходя из этого можно надеяться, что и проблема разрастания водорослей также будет решена.

Литература:

1. Афанасьев Д. Ф., Камнев А. Н., Сушкова Е. Г., Штайнхаген С. Экологическая физиология водных фототрофных организмов. Полевой определитель водорослей рода Ulva Черного, Азовского, Каспийского морей и восточной Балтики: Учебное пособие / Под ред. проф. И. П. Ермакова. — М., 2016. — С. 51.
2. Баринова С. С., Медведева Л. А. Атлас водорослей — индикаторов сапробности (Российский Дальний Восток). — Владивосток, 1996. — С. 364.
3. Вассер С. П., Кондратьева Н. В., Масюк Н. П. и др. Водоросли. Справочник. — Киев, 1989. — С. 608.
4. Вологдина Е. В., Малофеева Н. Н., Травина И. В. Живая природа. — М., 2017. — С. 96.
5. Годун Г. Нашествие зеленых водорослей на пляжи Циндао. 2011 https://www.epochtimes.com.ua/ru/china/ecology/nashestvie-zelenyh-vodoroslej-na-pljazhi-cindao-98082.html
6. Куксанов В. Ф. Река Урал — экологические проблемы и пути их решения // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2016. № 7(103). С. 8–15.
7. Оренбург Медиа. Урал мелеет. В минприроды Оренбуржья заявили о разработке федеральной программы по спасению реки. 18.06.2020. https://orenburg.media/?p=38792
8. Официальный сайт Оренбургской области. 2021. https://orenburg-gov.ru/news/1362/
9. Свиденко Е. Почему в Оренбургской области мелеет река Урал? Новая теория // Оренбургская неделя. 21.08.19. https://orenweek.ru/63544/
10. Соколов А. А., Чибилёв А. А., Руднева О. С., Барбазюк Е. В., Дубровская С. А., Кин Н. О., Климентьев А. И., Левыкин С. В., Павлейчик В. М., Падалко Ю. А. и др. Географический атлас Оренбургской области. — Оренбург, 2020. — С. 160.
11. Эванс К. С исчезновением реки Урал над Евразией нависает кризис // The third pole. 27.01.2021. https://www.thethirdpole.net/ru/regional-cooperation-ru/